我們接著前面的文章繼續(xù)說，大爆炸理論雖然是我們描述宇宙起源最好的理論，各種預(yù)言都得到了觀測的實證，但是依舊有一些無法解釋的問題。
就像，我們前面說的視界難題、為什么我們在天空中的各個方向上，看到的溫度都是一樣的？還有平坦難題，為什么宇宙空間的曲率是0？平的不可思議？
最后一個單極難題，既然宇宙早期的溫度極高，為什么我們現(xiàn)在找不到一些高能遺跡，比如磁單極子。
這三個問題都指向了宇宙早期的那個高溫、高密、極小的時刻，而大爆炸理論并不能對這個時刻做出任何描述，所以必須對大爆炸理論做出修正和補充。
從上世紀(jì)的70年代末開始，人們就考慮這個問題了，1979年理論物理學(xué)阿蘭·古斯，也對這個問題產(chǎn)生了極大的興趣，1981年他就發(fā)表了第一個暴脹模型，在宇宙學(xué)界引起了巨大的轟動。
暴脹理論認為，在宇宙大爆炸之前還發(fā)生了一個階段，就是空間的暴脹，發(fā)生在10^-36秒到10^-32秒，這段極小的時間內(nèi)，雖然時間短，但是這個階段讓宇宙空間的半徑增大了至少10^50倍。這是個啥概念？這相當(dāng)于把一粒灰塵變成了10個銀河系的大小。
所以宇宙的暴脹階段空間呈指數(shù)級的瘋狂增長，等暴漲結(jié)束以后，空間還會繼續(xù)膨脹，但是速度卻小了很多，緊接著宇宙就變成了一個高溫、致密、充滿物質(zhì)、反物質(zhì)和輻射的等離子體狀態(tài)。這就是我們所說的大爆炸宇宙模型了。
可以看出是宇宙的暴脹階段創(chuàng)造了充滿物質(zhì)和輻射的宇宙，這個后面我們再說，這里先說，空間的暴脹如何解決上文留下的三個難題。
先說第一個視界問題，圖中的實線代表了標(biāo)準(zhǔn)模型中，隨著時間的推移，物質(zhì)區(qū)域的大小，虛線代表了視界區(qū)域的大小，很明顯，視界區(qū)域一直小于物質(zhì)區(qū)域，這也說明了宇宙的膨脹速度遠超光速。
最主要的是，從一開始，標(biāo)準(zhǔn)模型所預(yù)測的宇宙的大小，大于視界的大小，所以宇宙還來不及達到一個熱平衡的狀態(tài)，兩個地方的粒子都還處在互相的視界之外，宇宙就開始膨脹了，導(dǎo)致出現(xiàn)了視界的問題。
而暴漲模型解決這個問題的辦法是，宇宙從一開始的尺度遠小于視界的尺度，也就是圖中的紅線，這說明宇宙從一開始就是一個“親密無間”的熱平衡狀態(tài)，它們互相之間共享了信息，只是在10^-36秒的時候，空間經(jīng)歷了暴漲，半徑一下擴大了10^50倍，所以才造成了看似今天分離的兩個區(qū)域，有相同的溫度。
再說，平坦難題，我們相信整個宇宙的曲率它不是正就是負，如果沒有啥特別的原因，不可能是平坦的，因為平坦的宇宙是一種物質(zhì)密度和宇宙膨脹率相平衡的亞穩(wěn)定狀態(tài)，這樣的宇宙非常的脆弱，多一個原子它就踏了，少一個原子就會繼續(xù)膨脹，所以我們覺得宇宙的不可能是平坦的，至少得有一些可觀測的曲率。
但是WMAP和普朗克衛(wèi)星的測量結(jié)果顯示，我們的宇宙沒有可觀測的曲率，完全是平的，這是咋回事？暴脹理論就能很好地解釋了這個問題，他說，不管你宇宙一開始是啥形狀，也不管你的曲率一開始是正的、負的、還是平的，暴漲結(jié)束以后，宇宙從10^-26米，一下擴張到了10^24米，基本上奠定了可觀測宇宙的尺度，所以空間經(jīng)過急速的拉伸之后，就變得非常平坦了。
這就像是我們處在地球上一樣，感覺地球是平的，其實地球是一個正曲率的球面，因為地球的尺度很大，同樣的，整個宇宙的尺度也很大，即使我們測量了可觀測宇宙的曲率，依然沒有發(fā)現(xiàn)整個宇宙的曲率。
但我們相信，整個宇宙肯定存在一個正曲率或者是負曲率，這你想一下，這整個宇宙得多大呀，我們測量可觀測宇宙，也沒有測出它的曲率。
最后一個單極問題，以前我們說，宇宙誕生于一個溫度極高、密度極高的狀態(tài)，這個極高預(yù)示著溫度沒有上限，但是我們現(xiàn)在又給大爆炸之前設(shè)定了一個階段，宇宙暴脹，這樣也就是為大爆炸設(shè)定了一個能量上限。
因為暴脹結(jié)束以后，一部分空間能量才誕生了物質(zhì)和輻射，所以說宇宙大爆炸的溫度并非沒有極限，它的溫度上限就不可能超過暴脹時期的能量密度。
所以說，有些高能遺跡根本就誕生不了，可能就包括磁單極子，就算它誕生了，宇宙的暴脹也會將這些為數(shù)不多的粒子，稀釋到了我們找不到的地步。這就是為啥我們找不到磁單極子的原因。
你看，給大爆炸之前加一個暴脹階段，就能很好地解決以上的問題，而且它也能夠告訴我們，大爆炸階段宇宙的熱狀態(tài)是怎么來的？
一句話，我們現(xiàn)在所能看到的一切都來自于真空，也可以理解為無中生有，是真空誕生了一切。好，下面我就解釋下，為什么我們的宇宙是一場免費的午餐？
在我們看來空無一物的真空其實并不空，它包含了一個最基礎(chǔ)的能量，真空零點能，這是海森堡不確定性原理的推論。
他說，在一個極短的時間內(nèi)，真空具有的能量會存在巨大的不確定性，這種能量會創(chuàng)生出正反虛粒子對，它們會在極短的時間內(nèi)湮滅掉。
所以虛粒子對無法被直接地探測到，但我們可以間接地觀察到它們所產(chǎn)生的效應(yīng)，比如在卡西米效應(yīng)中，我們就觀察到了真空漲落使得兩個略微分開金屬板產(chǎn)生了微弱的吸引力，這個力要比引力大得多，所以驗證了真空中的量子漲落。
由于現(xiàn)在的真空已經(jīng)處在了基態(tài)，也就是能量最小的狀態(tài)了，所以我們不能在從真空中再移除任何能量了，因此要想讓這些虛粒子實在化，就需要向真空中注入能量，比如說正反粒子對效應(yīng)，還有霍金的黑洞輻射，量子漲落如果發(fā)生在黑洞視界邊緣，如果一個虛粒子掉入黑洞，另外一個就會帶走黑洞的質(zhì)量，變?yōu)閷嵙Ｗ印?/span>
所以說，現(xiàn)在的真空不能創(chuàng)造任何物質(zhì)和輻射，但是宇宙暴漲時期的真空，跟現(xiàn)在的不一樣，當(dāng)時的真空稱為“偽真空”，是一種真空的的激發(fā)態(tài)，里面包含的真空能量的密度更高，這種不穩(wěn)定的狀態(tài)會自發(fā)的落回到基態(tài)，我們稱之為真空相變。
或者說當(dāng)時真空的相擁有更高的對稱性，但這種對稱性不穩(wěn)定，會自發(fā)的破缺，導(dǎo)致這種真空會從一個相會轉(zhuǎn)成另外一個更加穩(wěn)定的、能量更低的、對稱性破缺的相。
就好比一只用筆尖立在桌面上的鉛筆，雖然看起來是對稱的，但這種狀態(tài)是鉛筆的不穩(wěn)定態(tài)，它會隨機選擇一個方向倒下去，倒在桌面上的鉛筆就會回到了穩(wěn)定的基態(tài)，并且對稱性也自發(fā)破缺了，那么在這個過程中，就會釋放出能量。
還有水的物相的轉(zhuǎn)變，在零度的時候，冰水混合物會傾向于結(jié)冰，回到更低的能態(tài)，在這個過程中，它會釋放出自身的潛伏熱。
我們相信早期空無一物的空間，也發(fā)生了這種從高能量狀態(tài)到基態(tài)的相變過程。好，我們現(xiàn)在想一下，大爆炸之前都發(fā)生了啥。
上圖中小球開始的位置代表了偽真空，此時空間中蘊含的真空能量的密度非常高，所以就產(chǎn)生了巨大的斥力，導(dǎo)致空間暴漲。
但這樣的偽真空跟小球一樣，不穩(wěn)定，會自發(fā)的落回基態(tài)，所以說暴脹只持續(xù)了很短的時間，對小球來說就是它滾到了懸崖邊上，在往前走一點就會落入山谷，處在更加穩(wěn)定的基態(tài)。
所以在很短的時間內(nèi)偽真空就發(fā)生了相變，暴漲就結(jié)束了，此時的宇宙空間會釋放出大量的能量，這個階段稱為“宇宙再加熱”，也就是我們所說的大爆炸階段了。
所以說，萬物來自于空無一物的真空，是真空不同相的轉(zhuǎn)變，創(chuàng)造了我們所看到的一切。我們現(xiàn)在也認為，真空中蘊含的能量，也就是最初掌控宇宙暴漲的暴漲場，就是我們所說的暗能量。
暴漲結(jié)束以后只有一小部分暗能量轉(zhuǎn)變成了物質(zhì)，但大部分依舊留在了真空當(dāng)中，也就是我們現(xiàn)在的基態(tài)真空。目前還主導(dǎo)著宇宙的膨脹。以上我所說的叫慢滾暴脹模型，是比較好懂的一種說法。
那么暴漲理論還給我們帶來了一種新的說法，叫多元宇宙，這跟由薛定諤的貓得出來的平行世界不同。
你看，上面我們的推論都是把暴漲場當(dāng)作了經(jīng)典場來處理，認為整個空間同時經(jīng)歷了暴漲，暴漲又同時結(jié)束，誕生大爆炸。但是我們知道暴漲場是量子場，量子場就意味著暴漲并不會結(jié)束，一直在發(fā)生。
因為由量子場創(chuàng)生出來的空間，所具有的勢能并不會降低，甚至比之前的還要高，那么這些創(chuàng)造出來的空間，也會在局部經(jīng)歷同樣的暴漲過程，又創(chuàng)造出空間，然后又暴漲。
在這期間有些區(qū)域的暴漲就結(jié)束了，真空能量產(chǎn)生了物質(zhì)，大爆炸開始了。有些地方還在暴漲，進而創(chuàng)生更多的空間，引發(fā)更多的暴漲區(qū)域，然后這些區(qū)域又會在不同的時間，誕生大爆炸的狀態(tài)。無休無止，這就是多元宇宙論，就跟熬稀飯的時候那個泡泡有點像，每一個泡泡就是一個宇宙，每一個宇宙都是彼此獨立，沒有聯(lián)系的區(qū)域。
上圖就是形象了說明了這一點，即使我們的宇宙是從一個很小的區(qū)域開始暴漲的，也會創(chuàng)造出大量的互相獨立的空間。
其中紅色部分就代表了這個區(qū)域的空間暴漲結(jié)束了，開始了大爆炸，誕生了一個宇宙。其他的空間還會繼續(xù)暴漲，然后經(jīng)歷大爆炸，無休無止。
這是一個非常龐大的宇宙觀，我們的宇宙只不過是眾多宇宙中的一個，而且在那個更大的母宇宙當(dāng)中，現(xiàn)在依舊有空間在暴漲，依舊有大爆炸發(fā)生。如果真是這樣的話，那這也太奇怪了，沒辦法理解。
最后我們說下暴漲理論所帶來的兩個預(yù)測，這是一個正確的理論所必須做到的，其中一個預(yù)測就是真空能量的波動，被空間的暴漲拉伸到了大尺度上，形成了密度分布的不均勻，這就是恒星、星系這些結(jié)構(gòu)的種子，這個預(yù)測已經(jīng)得到了觀測的證實，也就是微波背景上的溫度波動。
第二個預(yù)測就是暴漲時期的引力波信號，通過觀察微波背景輻射中光子的極化模式，未來我們有可能會發(fā)現(xiàn)引力波的痕跡。
總的來說，暴漲理論基本上符合了一個正確的理論所需要具備的要素，你看，他包含了大爆炸理論，解釋了大爆炸不能解釋的三個問題，也做出了一些預(yù)言，并且得到了觀測的實證。
最主要的是，他告訴了我們，大爆炸之前發(fā)生了什么？
